人工侵蚀储水水域的方法与流程

本发明涉及一种人工侵蚀储水水域的方法，所述储水水域例如是水库、河道蓄水设施(laufstaue)或天然堰塞湖以及其他有巨大改变的水域。

由于河流冲积作用而形成的，即由河流运输的沉积物，例如溶液负载、悬浮颗粒负载或悬浮液负载，和碎石或固体负载对于河流生态来说是重要的。固体负载滚动地或者是翻滚推送地由河流运输。另外，河流中存在基本不会漂浮在水柱中的悬浮物。在未开发的河流中有沉降过程，即由于河流冲积带来的沉积物的沉积，以及侵蚀过程，即沉积物的剥蚀，至少是平衡的。如果水域被截流，则河流的流动横截面上在宽范围内改变。由于这种横截面的变化导致流速的减慢，在此过程中沉积物淤积并且不继续被运输。在这种情况下导致储水水域中的沉积物增多。同样也适用于贮水池，例如水电站的贮水池，在那里在各个运行过程之间，即泵运行和涡轮机运行之间，水保持相对静止。储水水域底部增加的沉积物一方面降低储水水域的容量，另一方面在下游水段，即位于堤坝下方的水域中缺少由于河流冲积作用而形成的沉积物，。

河流冲积作用而形成的沉积物对河流来说是必需的，以便平衡其他位置的沉积过程。这对防洪尤其有意义，因为去除了沉积物的河流输送水的速度加快，因此使得洪水波浪快速前进并具有更大幅度。例如在大坝或堤坝的底部经常发生强烈侵蚀，会在安全角度影响大坝的稳定性。河流除了运输水之外，还运输固体、生物、气体，例如二氧化碳、氧、甲烷或其他腐败气体，以及能量，特别是流速和温度形式的能量。如果由于截流阻碍了所述运输，还会带来堤坝下游的生态后果。当悬浮物沉降在储水水域时，营养物通常很少包含在水中。另外，固体负载如石头、砂和砾石的保留会增大下游水段的流速。此外对于运输由于河流冲积作用而形成的沉积物必须施加的能量完全取决于水的流速。流速的提高对河床造成更大的侵蚀力量，由此使得流速继续增大并导致例如河床被掩埋。

储水水域的其他缺点在于，所沉淀的沉积物的沉积厚度在约2cm时，有机物质的降解过程就只能在厌氧条件下进行。这导致甲烷排出量的升高。考虑到大量的存在于尤其行船的，但也用于水力发电的各个储水水域，从储水水域放出的甲烷量是巨大的。

在现有技术公知的一些方法中提供了对储水水域中沉积物淤积体的运送。ep2134902b1描述了一种用于在水力设施中运送沉积物的方法，其中沉积物淤积体在贮水池的沉积区域中被接收并被运输到贮水池的排水机构附近的侵蚀区域中。

本发明的目的是，改进已知的现有技术。

所述目的根据本发明借助根据权利要求1的方法来实现。其他优选的实施方案在从属权利要求及以下的描述和附图中公开。所述实施方案的各个特征不限于此，但是可以彼此和与其他特征结合成其他的实施方案。

本发明提供一种用于人工侵蚀储水水域的方法，所提出的方法中，确定在储水水域的地表面上储水水域的沉积物的平均颗粒尺寸的分布。确定下游水段的沉积物需求，并且根据下游水段的沉积物需求，至少实现储水水域的沉积物向下游水段中的转移。优选地，确定对沉积物的量和颗粒尺寸的至少一种需求。

所述人工侵蚀优选通过机械接收沉积物来实现。所提出的方法中有利的是，通过确定下游水段的沉积物需求和将相应的沉积物从储水水域引入下游水段中，可以在下游水段中实现生态最佳化的沉积条件。

所述方法的其他优势在于，待测定的事件或待测定的时间，例如用于防洪，可以提高下游水段中沉积物的引入，从而减少例如下游水段的流动能量并因此调节或控制幅度和/或流速。

通入所述储水水域的河流或水域携带大量颗粒尺寸分布广的沉积物进入所述储水水域。在接近堤坝的时候，所述流动的水流减速，使得所输送的沉积物逐渐沉淀。因此在储水水域中可以观察到沉积物的分布，其中碎石和砾石首先沉淀并因此聚集在与沙子沉积相比更远离堤坝的地方，而在堤坝体上大多数情况下仅能发现细砂和粘土。由此得到在所述储水水域中的沉积物的平均颗粒尺寸的分布，从平均颗粒尺寸小于约0.2mm的细小沉积物，优选平均颗粒尺寸小于约0.2mm的细砂，和平均颗粒尺寸小于约0.063mm的淤泥和粘土，经由平均颗粒尺寸约0,2mm的中等砂和大的砂粒，直至平均颗粒尺寸大于约2mm的砾石，尤其直至约63mm。另外属于细小沉积物的还有平均颗粒尺寸小于0.01mm的最小颗粒。由此，尤其还包括纳米颗粒和/或纳米颗粒的沉积，特别是平均颗粒尺寸1nm至300nm或1nm至100nm的纳米颗粒和/或纳米颗粒的沉积。

较大的碎石和块状物也属于沉积物，其中当流动水域进入储水水域时，它们尤其是非常早就沉淀下来不再继续移动了。颗粒尺寸的分布可以通过计算确定或者进行估计，尤其是借助于所测量的或者计算得出的流速来进行。在其他实施方案中提出，对储水水域中沉积物平均颗粒尺寸分布的确定借助抽样或筛选来进行。

如果在本发明范围内提及了流速，则实际上应理解为经过测量或计算得出的流速。所述流速的确定尤其可以基于计算得出的或经过测量的水位，计算得出的或经过测量的沉淀量，计算得出的或经过测量的空气温度，计算得出的或经过测量的空气压力，计算得出的或经过测量的空气湿度，计算得出的或经过测量的风速，计算得出的或经过测量的蒸发量，或者计算得出的或经过测量的其他数据，还有单个数据之间的组合。

对沉积物的测定，用于砂、砂质粘土、淤泥和粘土优选采用根据din19682-2的指形探针，和/或用于砂、砾石和碎石采用根据din66165-2的干式筛分。

根据所述方法的实施方案，实现对储水水域的沉积物的剥蚀(abtragung)，具有对应下游水段的沉积物需求的大概具有平均颗粒尺寸的沉积物。即说，所述剥蚀和/或接收(aufnahme)尤其在下列方式下实现，在沉积物是被期待的或者通过测量已知的，具有下游水段中需要的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。如果下游水段中需要的颗粒尺寸的分布较宽，则在一种实施方式中，所述剥蚀和/或接收在储水水域的多个区域内进行。另外有利的是，进入储水水域的不同区域，在这些区域内对平均颗粒尺寸的期待是不同的，以便满足下游水段对沉积物的需求。尤其是，逐渐地，即连续地将具有不同平均颗粒尺寸的沉积物带入下游水段中，由此经由较长的时间段来满足下游水段的平均沉积物需求。较长的时间段特别是约一天至约一年，另外优选约一天至约一周，另外优选约一周至约一个月，另外优选约一个月至约一年。

下游水段的沉积物需求尤其应理解为有选择性的沉积物需求。这可以在下游水段的任意位置进行测定，例如在湖沼学监测范围内。包括例如根据din19682-2的指形探针和/或根据din66165-2的干式筛分。尤其优选选择具有对下游水段来说典型的流量比和流速的位置进行测定。这样的位置一般来说与堤坝间隔开。另外，下游水段的沉积物需求尤其还应理解为平均的或内插的沉积物需求。这可以基于例如在下游水段的多个位置上点状测定的参数或试样。

特别重要的参数是流速。如果下游水段中的流速很高，则在下游水段中缺少较大的颗粒尺寸。在低流速下，下游水段中则还存在具有较大直径的沉积物。但是缺少具有小的和平均颗粒尺寸的沉积物。因为下游水段的流速和其他参数很大程度上与储水水域的流速和其他参数相分离，则不强制要求储水水域中被截流的或“过量的”沉积物也和在下游水段中缺少一样的量。而且也不强制要求需要各种颗粒尺寸的沉积物。因此，根据本发明的方法包括与对储水水域的沉积物平均颗粒尺寸分布的测定不同的，对下游水段沉积物需求的测定。

特别优选的是，湖沼学地监测下游水段和/或储水水域和/或至少一个向储水水域中注水的水域。湖沼学监测包括湖泊，以及河流或海洋或湖泊从源头到河口的，或者到河流三角洲的流动水域。湖沼学监测另外优选包括水文监测、测深学监测、对海底生物的监测和/或生态学监测。尤其是监测流速、浊度、水中营养物、侵蚀和/或特定区域的沉降、流水携带的固体、溶于水中的气体、水位、特定位置的水温以及生物和/或其他湖沼学相关的数据。另外，根据一种实施方案，水文监测针对的是水域的至少一部分，即下游水段、储水水域，和/或至少一个向储水水域注水的水域。在其他实施方式中设置液体比重监测。另外，在监测过程中，排出口的阀门状态或来自堤坝的实际和/或计划的出水量，尤其通过底部出口、防洪出口、饮用水取水出口和/或涡轮机出口来确定，优选包括在对沉积物需求的计算中。对湖沼学数据以及可能的其他数据，例如天气的测定，根据一种实施方案用于测定下游水段的沉积物需求。储水水域的湖沼学数据的测定特别是从生态学角度和/或饮用水技术上用于储水水域的监测。如果通过对储水水域中沉积物的剥蚀和/或接收实现储水水域中甲烷的高输入，例如可以停止或暂时中断人工侵蚀。

特别优选的是，借助于来自湖沼学监测的测量数据测定下游水段的沉积物需求。

另外有利的是，在一种实施方式中通过调节回路来控制沉积物的转移。沉积物的转移，尤其在储水水域中的剥蚀地点或下游水段中的进入地点以及剥蚀速度和其他用于剥蚀和/或接收相关的特征，都将通过来自对下游水段和任选的储水水域的监测获得的测量数据进行调节。

在其他实施方案中，控制沉积物的转移。例如根据开口位置来控制沉积物的转移，例如旁路开口、防洪开口、底部排放开口和/或涡轮机-或饮用水取水口。根据在堤坝的哪个开口进入下游水段中，可以估算或计算出沉积物需求，使相应量和相应颗粒尺寸分布的沉积物进入下游水段。

在所述方法的其他实施方案中，所述剥蚀和/或接收至少借助疏浚机、冲刷方法和/或借助喷射方法实现。尤其在一种实施方案中设置至少一个吸泥机，例如挖泥船或吸式挖泥船(hopperbaggerodercutterbagger)。在其他实施方案中，将空气或水注入沉积物中，以便溶解尤其悬浮粒子，或者颗粒尺寸<0,2mm的细小的沉积物，并且借助抽吸设备运走或者通过储水水域中存在的水流运走。

尤其在大的沉积物淤积体已经存在于储水水域的情况下，可能有必要设置中间存储区域，至少中间存储过量的沉积物。因此在一种实施方案中，接收储水水域的沉积物并贮存在至少一个中间存储区域内。一个或更多个中间存储区域可以设置成大的池或天然存在的下沉区域，将沉积物至少暂时引入其中。中间存储的沉积物优选在晚些的时间点附加地或者单独进入下游水段。在其他实施方案中，不应引入下游水段的过量的沉积物被容纳在处置区内。

在其他实施方案中，将沉积物在贮存在中间存储区域之前进行分类。尤其根据颗粒尺寸，优选根据平均颗粒尺寸特别是借助筛进行分类。在其他实施方案中，所述分类根据储水水域中的接收地点或采取水力分类。在贮存在中间存储区域之前进行分类简化了对来自中间存储区域的平均颗粒尺寸的选择，如在其他实施方案中设置的，对应下游水段的沉积物需求，实现中间存储区域的沉积物向下游水段中的转移。

在其他实施方案中，所述沉积物在储水水域排出口之前、之中或之后进入。特别是，所述进入发生在涡轮机出口、底部出口、旁路附近，或者储水水域中其他排出口附近。所涉及储水水域的排水机构“附近”的概念在本发明意义上不包括将沉积物淤积体直接引入排水机构，或者所接收的沉积物的沉积直接地，即没有间隔地引入到排水机构之前。相反，“附近”应理解为，沉积物还取决于排水机构的尺寸来引入其附近。因此沉积物淤积体的运送在所涉及存储空间前最大约1m处是有利的。沉积物的运送另外优选在所涉及储水水域排水机构之前至少约1.5m的范围内进行，另外优选至少约2m，还另外优选至少约3m。在大的水域中，所述间距优选为至少约8m，优选在约1m至约300m的范围内，优选为约1m至约100m，另外优选为约1m至约50m。在其他实施方案中，沉积物直接在排水机构之前引入或引入排水机构中。这取决于所涉及的储水水域及其功能和特性。在其他优选的实施方案中，沉积物直接被引入下游水段。特别优选的是，在流入下游水段中的水流区域引入沉积物，这意味着，沉积物将例如经由储水坝或围绕它在附近或直接地引入到从储水水域流入下游水段的水中或者下游水段中。另外优选在下游水段的侵蚀相关区域引入沉积物。一些大坝当时显示出基础区域内的侵蚀损坏，通过所述方法可以成功解决或缓解。

在一种实施方式中，将沉积物运至下游水段的侵蚀危及到的或侵蚀相关区域，有利地是，沉积物的进入和颗粒尺寸的分布都对应相关区域所观察到的侵蚀情况。

如果在本发明意义上提到“观察”或“测量”或“确定”，则提供的是电子监控或光电监控或光电测量或传感器检测。

在所述方法的其他改进方案中，所述进入位置是变化的。因此，在堤坝之前或堤坝上或堤坝之后的进入之间，沉积物可以在不同的进入点或一个接一个运送。在其他实施方案中，设置两个或更多个沉积物剥蚀位置和沉积物进入位置，它们同时启动。因此根据实施方案设置两个、三个或更多个吸泥机或挖泥机，或者与一个或更多个挖泥机组合，设置冲刷-或喷射方法，以便运送沉积物。

在所述方法的其他改进方案中，储水水域的沉积物向下游水段中的转移是借助于至少一个输送装置完成的。在此过程中，尤其储水水域的水和/或其中包含的物质和/或生物还可以作为输送介质进行转移，尤其是前面所述的气体。特别优选使用包括至少一个螺旋输送机的输送装置。这包括优选至少一个输送螺旋和螺旋式输送槽。

所述输送装置此外有利地可以用于获得电能。所述输送装置为此可以包括发电机。水压或重力可以例如用于驱动输送装置和发电机。特别是对于包括螺旋输送机的输送装置，用于获得能量的阿基米德螺旋的工作原理可以反转。这些能量可以存储。此外，能量可以直接用于前面所述的方法，例如用于所用传感器的运行。根据本发明的方法由此是高效节能或可以自给自足式运行的。所述输送装置优选包括蓄电池和/或电源线。

所述输送装置优选包括变速器和/或马达，或用于控制或限制输送速度和输送方向的变速器马达。尤其是可以实现从下游水段到储水水域的输送方向。

所述输送装置优选如下方式构造，在转移过程中输送介质不压缩和/或只施加极小的剪切力。由此防止经转移的沉积物的颗粒尺寸被无意中降低。此外，可以确保任何存在于输送介质中的生物如鱼类实际上不受到损伤。例如可以包括至少一个偏心螺杆泵的输送装置。

另外，所述输送装置可以用作水梯(wassertreppe)。借助它可以使例如鱼类和其他生物从下游水段进入储水水域或者返回。由此有利地重建流动水域的连贯性，特别是对洄游鱼类。

所述输送装置可以包括多个螺旋输送机和/或偏心螺旋泵，以在较高的高度和/或梯度上实现输送介质，特别是沉积物的转移。

另外，所述输送装置可以包括用与转移输送介质或沉积物的抽吸、压力、冲刷-和/或喷射设备。所述输送装置尤其可以包括泵单元。它可以构造为抽吸泵和/或压力泵。所述泵单元此外还可以构造为喷射泵。另外，所述泵单元可以构造为液压锤。

所述输送装置可以包括监测设备。它可以用于湖沼学监测。监测设备可以构造成可移动的。它可以包括至少一个运输设备，例如汽车、浮标、船、潜艇、舰船、气球、飞艇、导弹、卫星、无人驾驶飞机、飞机、航天器和/或卫星。所述运输设备优选无人操作。作为替代或作为补充，所述监测设备可以至少部分地构造成位置固定的。它可以包括例如无线电天线。

所述输送装置或监测系统可以包括计算机，特别是至少一个基于计算机的人工神经网络，虚拟网络和/或虚拟机。用于控制沉积物转移的调节电路可以是神经网络、虚拟机和/或虚拟网络的一部分。所述监测装置另外可以与社交网络连接，从而实现数据交换、数据处理和/或系统调整。

所述监测装置可以包括至少一个测量装置，它用于测定湖沼学监控的测量数据。测量数据和/或调节信号可以例如通过无线电来无线完成。

所述测量装置可能包括至少一个传感器和/或制动器。所述传感器可以是光学传感器，声学传感器和/或用于化学分析的传感器。所述传感器可以另外特别是电容和/或电感传感器。它可能优选包括彼此相邻和/或并联设置的两个电导体通道，从而捕获两个导体通道之间电场的变化。

所述测量装置可以包括具有应变仪的桥式电路。

所述测量装置还可以包括压电元件。所述压电元件可以是具有贵金属内部电极的陶瓷多层组件。另外还可以包括压电驱动器。

此外，所述输送装置包括至少一个输送管道。所述输送管道的至少一部分可能具有收缩，特别是圆锥形收缩，从而产生压力差或者平衡压力差。所述收缩可以优选在收缩管道的剩余直径上测量，小于10％。所述输送装置还可能包括浮子，例如浮桥船。

由以下附图得到其他优选的实施方案。但是其中描述的改进方案不应视为限制。相反的，其中描述的特征可以彼此和与前面描述的特征组合成其他实施方案。此外应指出，附图说明中给出的附图标记不限制本发明的保护范围，而仅仅指代附图中示出的实施例。以下的相同部分或相同功能的部分具有相同的附图标记。其中：

图1示出结合沉积速率图的储水水域示意的草图；

图2示出对水下沉积物淤积体可能的人工侵蚀的示意图；

图3示出沉积物淤积体到水下排水机构附近的可能的运送示意图；和

图4示出用于运送沉积物淤积体的输送装置的部分的横截面示意图。

图1示出由河流12供水的储水水域10。河流12被堤坝14截流。将过量的水或者例如用于发电设施的使用过的水从储水水域10排放到下游水段18中的排水机构16特别是用于调节储水水域10中的水位高度。优选的是提供所述壅堵，使得下游水段18流入河流20。用于调节储水水域10的水位高度或用于防洪的其他措施可以例如通过底部排水设施(unterablass)22来实现。

由于河流12的截流导致在堤坝14区域中的流动速度降低。这种流速的降低示意地通过河流或储水水域10下方的沉积物淤积体图表加以说明。该图表在横坐标轴上以对数刻度示出河流12或储水水域10沿堤坝14方向的流动速度。同样以对数划分的纵轴示出以相应的速度沉降的颗粒的颗粒尺寸。可以看出，颗粒直径越小，则沉积物沿堤坝14方向输送得越远。具有较大颗粒直径的沉积物，即较大的沉积物比较细小的颗粒更加远离堤坝14。尺寸<2μm的粘土颗粒尤其被带至堤坝壁，而对于较大的沉积物颗粒流动速度则不足以达到。

迄今为止已知的用于转移储水水域中沉积物的方法仅在于，接收特定模型或由储水水域底部随机产生的沉积物，并且将其输送到例如排水机构10附近。然而已经表明，这种方法虽然足以用于抽水蓄能电站，但是对于流动的水域或者截流的流动水体来说是有缺陷的，因为下游水段中沉积物的缺失或者不正确的组成都会导致侵蚀破坏、洪水等后果。出于这个原因，从湖沼学监测下游水段18或流出的水，在下文中称为排水20。所述监测借助至少一个传感器24来进行，所述传感器测量例如下游水段18的流速、浊度、营养物、固体、气体、水位、温度或其他因素。优选考虑和评估所述因素中的多个因素。为此提供了特别是基于计算机的监测单元26。监测单元26依据在至少一个传感器24上测量的数值控制至少一个或者更多个疏浚机(挖泥机)28。优选地如下控制，监测单元26将对沉积物量和/或颗粒尺寸的需求发送给挖掘机28，所述挖掘机然后根据之前测定的和/或已知的储水水域中的沉积物淤积体来启动沉积物颗粒尺寸，以便在下游水段18中接收所述沉积物并随后完成转移。如在实施例中所示，所述沉积物可以在排水机构16之前沉积，流过所述排水机构，或者越过或围绕着水坝，直接进入下游水段。

图2示例性地示出沉积物淤积体30从储水水域10的水域底部32借助吸泥机装置36的输送过程。所述吸泥装置由泵单元36、吹洗头38和输送管道40和42构成。为了从水域底部32释放沉积物淤积体30，使用包括使沉积物30松散的铣刀的吹洗头38。所释放的沉积物30借助泵单元36接收和输送。泵单元36同时也负责将沉积物经由输送管道42直接运送到下游水段中，或者排水机构16附近的储水水域10的区域内。优选将泵单元36设置在浮桥船49上。浮桥船49可以借助控制电缆46在大范围内移动，优选储水水域的整个范围。在其他的在此未示出的实施方案中，所述吸泥机具有自身的驱动单元，吸泥机可以借助驱动单元在储水水域10上移动。

图3示例性地示出所接收的沉积物30在排水机构16附近的沉积。输送管道42借助浮子50来保持，且在一种实施方案中输送管道42同样可以自由移动，特别是控制。优选通过安装浮子可以对不同的沉积物颗粒尺寸进行影响。较大的颗粒尺寸特别地可以被带到排水机构16附近，因为吸力或流速可以毫不费力地将它们带走。较小的沉积物颗粒尺寸需要与排水部件16保持较大距离，因为在较小的流速下就可以通过排水部件流入下游水段中。所沉积的沉积物30由于水的流动沿箭头52的方向被携带，并被运送到下游水段中。附加地或替代地，如在图1中所示，所携带的沉积物还可以被直接运送到下游水段中，特别是例如由于高流速造成强烈侵蚀的位置。

图4示例性的示出输送装置54。输送装置54被构造用于储水水域10和下游水段18之间的连接布置，并且可以例如集成到堤坝14内。输送装置54具有两个连续地设置的螺旋输送机55。分别包括输送螺旋56、螺旋式输送槽57和马达-发电单元58、59。马达-发电单元58、59分别包括用于驱动各个输送螺旋56的马达58和用于获得电流的发电机59。输送装置54具有两种输送方向或驱动类型。为了将沉积物30从储水水域10转移至下游水段18中，重力或水压引起输送螺旋56的转动，使得朝向下游水段18方向进行输送。输送螺旋56的转动此外可以通过发电机59用于获得电能。

此外，马达58可以沿相反的方向与输送螺旋56一起驱动，以便实现从下游水段18到储水水域10的输送方向。输送装置54由此可以用作生物的水梯。